CN104196678A - 风电机组传动系统扭振抑制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，该方法通过对传动系统不同连接点的转速测量来监测传动系统的扭振幅度，通过发电机电磁转矩的调节抑制扭矩波动，从而抑制传动系统扭振，减小传动系统扭转疲劳载荷。

Description

风电机组传动系统扭振抑制控制方法

技术领域：本发明涉及一种大型风电机组的传动系统扭振的控制方法，主要应用于风电机组发电机转矩控制，旨在于抑制传动系统扭振和转矩波动，减小传动系统疲劳载荷，从而提高机组可靠性，延长机组寿命。 

背景技术：近年来，伴随经济发展，社会能源需求不断增长。以石化能源为主的能源结构使得能源和环境问题日益突出，尤为明显的是城市及工业区的雾霾现象。由此，可再生资源受到了各国政府的普遍重视，风能作为可大规模开发利用的可再生能源之一,风力发电在技术研究、装备制造及零部件配套等方面都得到了迅速的发展。 

为了降低发电成本，各风电机组制造商推出的新产品单机容量越来越大，随之而来的是风轮直径不断增大,叶片、传动系统和塔架等零部件变得柔性大、阻尼小，机组低频模态越来越密集，各模态耦合几率加大，机组承受的动态载荷更加复杂严峻。 

发明内容：

发明目的：本发明提供一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其目的是解决以往的所存在传动系统扭振、疲劳载荷大的问题。 

技术方案： 

一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：该方法通过对传动系统不同连接点的转速测量来监测传动系统的扭振幅度，通过发电机电磁转矩的调节抑制扭矩波动，从而抑制传动系统扭振，减小传动系统扭转疲劳载荷。 

该方法主要包括两部分，扭振的在线评估环节和扭振抑制发电机转矩控制环节，将风电机组的传动系统考虑非线性不确定因素采用集中参数方法根据以 下原则进行建模，具体方法如下： 

①、扭振的在线评估 

传动系统非线性和不确定因素，主要包括风电机组传动系统中的齿轮箱的齿轮组动态啮合刚度和啮合误差、弹性连轴器的动态阻尼和刚度；风轮和发电机等效转角差代表传动系统的扭应力大小,风轮和发电机等效转速差值代表传动系统扭矩的变化幅度,用来表示传动系统转矩的波动幅度： 

传动系统的力学方程为 

$J_G{J}_R\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}=-(J_G+\frac{J_R}{N^2})[c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A+\frac{J_R}{N}{T}_G$

其中： 

T_A—气动转矩，T_G—发电机电磁转矩 

J_R—风轮转动惯量，J_G—发电机转子转动惯量 

c—传动系统综合阻尼，k—传动系统综合扭转刚度 

Ω_R—风轮角速度，Ω_G—发电机角速度 

θ_R—风轮角位移，θ_G—发电机角位移， 

N—齿轮箱增速比 

F_g,F_c，F_x—传动系统中刚度和阻尼变化部分的等效作用。 

②、扭振抑制控制 

实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减。根据状态观测器对总扰动的观测和系统已知模型，得到最终控制量为： 

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)$

其中，T_G为扭振抑制控制的发电机转矩输出，β₁为控制参数；非线性反馈函数fal()定义为： 

$\mathrm{fal}(x,a_i,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|x\right|}^{a_i}\mathrm{sign}\left(x\right),\left|x\right|>\mathrm{\δ}\≥0;\\ \frac{x}{{\mathrm{\δ}}^{1-a_i}},\left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，a_i，δ为可调参数。 

①步骤中将系统未建模非线性不确定因素和外界扰动归结为传动系统的总扰动，通过状态观测器进行在线估计，并在非线性前馈补偿控制中进行补偿，实现非线性系统动态反馈线性化，实时跟踪估计扰动环节，将系统不确定因素作用和外界扰动归结为系统的总扰动，并根据系统输入、输出数据动态的估计系统状态变量和总扰动； 

状态观测器如下所示： 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=z_1-{\mathrm{\ω}}_t\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=-\frac{1}{J_G{J}_R}(J_G+\frac{J_R}{N^2})c{z}_1+z_2-{\mathrm{\β}}_{01}{g}_1\left(e_1\right)-\frac{1}{N{J}_G}{T}_G\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{02}{g}_2\left(e_1\right)\end{array}\right.$

其中，β₀₁，β₀₂为观测器参数； 

g_i(e)需要满足eg_i(e)≥0，i＝1,2。 

②步骤主要以变流器为执行机构，通过对发电机转矩的调节来控制风电机组传动系统的扭转振动，发电机转矩T_G在控制器的控制下需要满足以下目标： 

(1)在额定风速以下，根据最佳尖速比曲线跟踪由于风速变化引起的气动转矩(T_A)的变化，以获取最大功率； 

(2)根据观测到的传动系统扭矩波动情况，在扭转载荷控制器的控制下抑制传动系统扭矩波动，减小传动系统扭转载荷。 

①步骤中只要β₀₁，β₀₂，g_i(e)(i＝1,2,3)取值恰当，该观测器就能很好的估计系统中无法建模的动态扭转刚度、动态阻尼及外界扰动总和f_x的作用量即状态量x。 

目标(1)用传统的最佳尖速比转矩PI控制，即转矩PI控制，即可实现，目标(2)结合扭振抑制控制的方法以变流器为执行机构实现，由此发电机的转矩给定是在转矩PI控制器和扭振抑制控制器的共同作用达到发电机功率控制和传动系统扭矩波动抑制的目标。 

扭振抑制控制所用的控制方法是一种基于不确定因素估计和补偿的非线性鲁棒控制技术，在观测器的基础上,通过非线性状态误差反馈补偿实现动态系统反馈线性化，对发电机转矩的控制采用动态补偿和状态误差反馈有机结合的非线性状态误差反馈控制。 

在控制量发电机转矩T_G中补偿不确定性因素和外界扰动f_x的作用,发电机转矩取 

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}(c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+f_x)$

但对于不确定非线性系统f_x是未知非线性函数,在前面我们将系统中无法建模的动态和外界扰动f_x归结为总扰动a(t),利用状态观测器可以动态估计出a(t)，a(t)的估计值为z₂,在此基础上,取 

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)$

利用状态观测器对不确定非线性系统的不确定动态和外界扰动进行动态估计,并根据估计值对控制量进行补偿,补偿之后的系统具有更好的闭环特性。 

实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减，控制中,控制误差表示为 

e₁＝v-z₁

式中v为控制目标，而对于传动系统的扭转控制，控制目标v＝0，那么控制误差即为 

e₁＝0-z₁＝z₁

根据状态观测器对总扰动的观测和系统己知模型,得到最终控制量为: 

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)$

式中fal()的定义为式见②步骤,β₁为控制参数。 

优点及效果：本发明提供一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，该方法通过对传动系统不同连接点的转速测量来监测传动系统的扭振幅度，通过发电机电磁转矩的调节抑制扭矩波动，从而抑制传动系统扭振，减小传动系统扭转疲劳载荷。 

该方法的好处主要表现在： 

(1)减小机组尺寸,减轻结构重量； 

(2)减少结构疲劳损坏,延长使用寿命。 

附图说明：

图1为考虑非线性不确定因素的传动系统模型； 

图2为风电机组发电机转矩控制框图； 

图3为传动系统扭振抑制控制框图。 

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明： 

扭振是风电机组传动系统扭转载荷增加和设备疲劳损伤的重要原因之一。风电机组传动系统可以看作是在气动转矩T_A和发电机转矩T_G共同作用下的扭转动力学系统。传动系统的扭矩大小和机组功率关系密切，动态载荷尤其是扭转载荷主要来自于风轮的气动转矩变化和传动系统扭振。传动系统扭矩波动使传动系统主要零部件产生疲劳损伤，会降低机组使用寿命，抑制传动系统扭振减小传动系统载荷最有效的办法就是抑制传动系统的扭矩波动。 

本发明主要以变流器为执行机构，通过对发电机转矩的调节来控制风电机组传动系统的扭转振动。风电机组传动系统扭振抑制的控制方法包括两部分：扭振幅度的在线评估方法和抑制扭振的发电机转矩控制方法。 

(1)扭振幅度的在线评估方法 

风电机组的传动系统由低速轴、齿轮箱、柔性联轴器、发电机转子等组成。由于主轴承的作用，研究传动系统扭振问题只需考虑扭转自由度相关因素。风电机组的传动系统是一个复杂的非线性耦合系统，而且参数受不确定动态因素影响很大。由于扭矩波动幅度不能直接测量，扭振抑制控制所需的状态误差反馈只能通过间接测算获得，对传动系统扭转载荷幅度的动态辨识需要传动系统模型，即便这个模型是不完整(部分未知)的，测量误差连同辨识误差可以认为是系统的一个非线性环节，作为内部扰动通过状态观测器动态估计。在状态观测器的设计中充分利用机组传动系统的部分已知动态特性，从而在扰动观察中可以大大提高观测的精度并减小计算量。 

同时，本发明把测量误差连同辨识误差作为系统的一个非线性环节，做为系统扰动通过状态观测器进行在线估计。 

状态观测器的作用是估计出无法建模的不确定因素和外界扰动作用量的总和a(t)，借助观测器的思路，把能够影响被控输出的内外扰动作用视为新的状态变量，用反馈机制建立能够观测被扩张状态的观测器。 

(2)抑制扭振的发电机转矩控制方法 

在状态观测器的基础上，通过非线性状态误差反馈补偿实现动态系统反馈线性化。对发电机转矩的控制采用动态补偿和状态误差反馈有机结合的非线性状态误差反馈控制。 

传动系统的扭振抑制控制分为安排过渡过程、状态观测器、误差反馈与扰 动补偿三个独立的组成部分,然后分别根据传动系统扭转载荷控制具体情况来进行设计,即按照各自的工程意义分别设计然后组合起来形成一个完整的传动系统扭振抑制控制器，分别如下： 

(1)控制的过渡过程可以根据被控对象的承受能力、被控量的变化的合理性和系统提供的控制能力,由设定值用适当的函数发生器安排过渡过程。系统设定值发生阶跃时,合理的过渡过程可以避免初始误差太大引起的超调问题,让系统输出快速无超调地跟踪设定值变化。 

(2)在风电机组的运行过程中受风速、转速和风轮扭矩等因素的影响,传动系统的刚度和阻尼等参数会动态变化,增加了传动系统扭转载荷控制的难度。传动系统的扭矩波动幅度无法测量,而且传统的基于状态反馈的观测器容易受到不确定因素作用的影响。采用状态观测器的方法,观察传动系统中的不确定性部分。 

(3)在状态观测器的基础上,通过非线性状态误差反馈补偿实现动态系统反馈线性化。对发电机转矩的控制采用动态补偿和状态误差反馈有机结合的非线性状态误差反馈控制。 

具体为，本发明提供一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，该方法通过对传动系统不同连接点的转速测量来监测传动系统的扭振幅度，通过发电机电磁转矩的调节抑制扭矩波动，从而抑制传动系统扭振，减小传动系统扭转疲劳载荷。 

该方法主要包括两部分，扭振的在线评估环节和扭振抑制发电机转矩控制环节，将风电机组的传动系统考虑非线性不确定因素采用集中参数方法根据以下原则进行建模，具体方法如下： 

①、扭振的在线评估 

传动系统非线性和不确定因素，主要包括风电机组传动系统中的齿轮箱的齿轮组动态啮合刚度和啮合误差、弹性连轴器的动态阻尼和刚度；风轮和发电机等效转角差代表传动系统的扭应力大小,风轮和发电机等效转速差值代表传动系统扭矩的变化幅度,用来表示传动系统转矩的波动幅度： 

传动系统的力学方程为 

$J_G{J}_R\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}=-(J_G+\frac{J_R}{N^2})[c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A+\frac{J_R}{N}{T}_G$

其中： 

T_A—气动转矩，T_G—发电机电磁转矩 

J_R—风轮转动惯量，J_G—发电机转子转动惯量 

c—传动系统综合阻尼，k—传动系统综合扭转刚度 

Ω_R—风轮角速度，Ω_G—发电机角速度 

θ_R—风轮角位移，θ_G—发电机角位移， 

N—齿轮箱增速比 

F_g,F_c，F_x—传动系统中刚度和阻尼变化部分的等效作用。 

②、扭振抑制控制 

实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减。根据状态观测器对总扰动的观测和系统已知模型，得到最终控制量为： 

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)$

其中，T_G为扭振抑制控制的发电机转矩输出，β₁为控制参数；非线性反馈函数fal()定义为： 

$\mathrm{fal}(x,a_i,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|x\right|}^{a_i}\mathrm{sign}\left(x\right),\left|x\right|>\mathrm{\δ}\≥0;\\ \frac{x}{{\mathrm{\δ}}^{1-a_i}},\left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，a_i，δ为可调参数。 

①步骤中将系统未建模非线性不确定因素和外界扰动归结为传动系统的总扰动，通过状态观测器进行在线估计，并在非线性前馈补偿控制中进行补偿，实现非线性系统动态反馈线性化，实时跟踪估计扰动环节，将系统不确定因素作用和外界扰动归结为系统的总扰动，并根据系统输入、输出数据动态的估计系统状态变量和总扰动； 

状态观测器如下所示： 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=z_1-{\mathrm{\ω}}_t\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=-\frac{1}{J_G{J}_R}(J_G+\frac{J_R}{N^2})c{z}_1+z_2-{\mathrm{\β}}_{01}{g}_1\left(e_1\right)-\frac{1}{N{J}_G}{T}_G\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{02}{g}_2\left(e_1\right)\end{array}\right.$

其中，β₀₁，β₀₂为观测器参数； 

g_i(e)需要满足eg_i(e)≥0，i＝1,2。 

以大功率双馈风电机组为例，结合附图对本发明的实施方法做进一步的说明。 

双馈风电机组的传动系统由风轮、低速轴、齿轮箱、柔性联轴器、发电机转子等组成，通过轮毂和柔性叶片链接，通过弹性支承和柔性的塔架链接。传动系统的动态特性是由构成传动系统的各部件动态特性互相耦合而成，传动系统可以视为有限的惯性元件、弹性元件、阻尼元件组成的动力学系统。 

为了便于分析，风电机组仿真和传动系统研究中往往将传动系统假定为刚性系统，忽略了传动系统中存在的弹性形变、啮合误差、动态阻尼和动态刚度等非线性不确定因素，但这些动态的刚度和阻尼事实上时刻在起作用。为了通过控制减小风电机组动态载荷，就必须对传动系统中多处存在的非线性耦合关系和不确定因素进行分析，并在动态载荷控制中给予考虑。 

为了达到以上目的，将风电机组的传动系统考虑非线性不确定因素采用集中参数方法根据以下原则进行建模。建立的传动系统模型如附图1所示。 

1、扭振的在线评估 

在风电机组传动系统中,扭转载荷的直接测量很困难,而且成本很高。风轮和发电机等效转角差代表传动系统的扭应力大小,风轮和发电机等效转速差值代表传动系统扭矩的变化幅度,可以用来表示传动系统转矩的波动幅度。 

传动系统的扭转角度γ和扭转速度ω_t表示为 

γ＝∫(Ω_R-Ω_G/N)dt 

${\mathrm{\ω}}_t=\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\Ω}}_R-{\mathrm{\Ω}}_G/N$

传动系统的力学方程可以写为 

$J_G{J}_R\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}=-(J_G+\frac{J_R}{N^2})[c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A+\frac{J_R}{N}{T}_G$

上述表示方法表达了传动系统的扭矩波动幅度可以根据风轮和发电机扭转角速度差来衡量,风电机组的风轮转速和发电机转速一般通过编码器测量,编码器对转速的量化过程取决于编码器的精度(有限字长),相当于在测量信号上叠加了一个量化误差,必然会对动态特性产生一定的影响。 

量化误差一般被当作一个均匀分布的随机白噪声对待,这种假设具有一定的精度而且便于分析,因此得到了广泛的应用，但旋转编码器误差本质是非线性的,而且由于风轮和发电机的转速差别比较大,量化误差对系统的信号测量影响更大,同时这部分的影响很难测量和描述,在传动系统扭转载荷控制器的设计过程中,量化误差作为系统的随机扰动来处理,通过状态观测器对这一扰动的作用进行动态的估计并在控制中给予补偿。 

状态观测器的作用是估计出无法建模的不确定因素和外界扰动作用量的 总和a(t)，借助观测器的思路，把能够影响被控输出的内外扰动作用视为新的状态变量，用反馈机制建立能够观测被扩张状态的观测器。 

根据以上思路，将a(t)的实时作用量扩充成为新的状态变量x，记作 

$x\left(t\right)=f(\mathrm{\γ}\left(t\right),\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\left(t\right))$

并记 

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=a\left(t\right)=-\frac{1}{J_G{J}_R}[\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A$

则风电机组传动系统科表示为 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=z_1-{\mathrm{\ω}}_t\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=-\frac{1}{J_G{J}_R}(J_G+\frac{J_R}{N^2})c{z}_1+z_2-l_1{e}_1-\frac{1}{N{J}_G}{T}_G\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A-l_2{e}_1\end{array}\right.$

观测器中由于人为原因不包含非线性函数fx，但系统中不确定因素作用和外部扰动会(γ、Fg、Fc和TA)影响观测器的误差。 

为了解决这一问题，根据对偶系统反馈的设计原则，取非线性反馈-β₀₁g₁(e)，-β₀₂g₂(e)使观测器变为 

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=z_1-{\mathrm{\ω}}_t\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=-\frac{1}{J_G{J}_R}(J_G+\frac{J_R}{N^2})c{z}_1+z_2-{\mathrm{\β}}_{01}{g}_1\left(e_1\right)-\frac{1}{N{J}_G}{T}_G\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{02}{g}_2\left(e_1\right)\end{array}\right.$

其中，β₀₁，β₀₂为观测器参数； 

g_i(e)需要满足eg_i(e)≥0，i＝1,2。 

反馈函数g_i(e)＝fal(e,a₀₁,δ),i＝1,2，fal()定义为： 

$\mathrm{fal}(x,a_i,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|x\right|}^{a_i}\mathrm{sign}\left(x\right),\left|x\right|>\mathrm{\δ}\≥0;\\ \frac{x}{{\mathrm{\δ}}^{1-a_i}},\left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(19\right)$

所示非线性形式，a_i，δ为可调参数。使用这种非线性函数作为反馈比线 性反馈在抑制稳态误差方面有效，而且收敛到系统原点的速度也大大加快。 

只要β₀₁，β₀₂，g_i(e)(i＝1,2,3)取值恰当，该观测器就能很好的估计系统中无法建模的动态扭转刚度、动态阻尼及外界扰动总和f_x的作用量(状态量x)。 

2、扭振抑制控制 

本发明主要以变流器为执行机构，通过对发电机转矩的调节来控制风电机组传动系统的扭转振动。发电机转矩T_G在控制器的控制下需要满足以下目标： 

(1)在额定风速以下，根据最佳尖速比曲线跟踪由于风速变化引起的TA的变化，以获取最大功率。 

(2)根据观测到的传动系统扭矩波动情况，在扭转载荷控制器的控制下抑制传动系统扭矩波动，减小传动系统扭转载荷。 

在上述发电机转矩目标中，目标(1)用传统的最佳尖速比转矩PI控制(以下简称转矩PI控制)即可实现，目标(2)结合扭振抑制控制的方法以变流器为执行机构实现。由此发电机的转矩给定是在转矩PI控制器和扭振抑制控制器的共同作用达到发电机功率控制和传动系统扭矩波动抑制的目标，控制框如附图2所示。 

图中v₀为扭振控制器控制目标；Ω_G为发电机角速度；T_A为气动转矩。发电机电磁转矩T_G由两个分量T₁和T₂组成。T₁为转矩PI控制器的输出，PI控制器的作用是控制发电机的功率；T₂为扭振抑制控制器输出，扭振抑制器的作用是尽可能减小传动系统扭矩波动。控制器的控制目标设为零,传动系统扭角的微分作为扭振控制器的反馈，为了不影响机组的发电量，扭振抑制控制器的输出被限定在一定的范围内。 

本发明扭振抑制控制所用的控制方法是一种基于不确定因素估计和补偿的非线性鲁棒控制技术，其二阶控制器的结构如附图3所示。 

本发明在观测器的基础上,通过非线性状态误差反馈补偿实现动态系统反馈线性化。对发电机转矩的控制采用动态补偿和状态误差反馈有机结合的非线性状态误差反馈控制。 

在控制量发电机转矩T_G中补偿不确定性因素和外界扰动f_x的作用,发电机转矩取 

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}(c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+f_x)$

但对于不确定非线性系统f_x是未知非线性函数,在前面我们将系统中无法建模的动态和外界扰动f_x归结为总扰动a(t),利用状态观测器可以动态估计出a(t)，a(t)的估计值为z₂,在此基础上,取 

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)$

利用状态观测器对不确定非线性系统的不确定动态和外界扰动进行动态估计,并根据估计值对控制量进行补偿,补偿之后的系统具有更好的闭环特性。 

实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减。在控制中,控制误差表示为 

e₁＝v-z₁           (22) 

式中v为控制目标，而对于传动系统的扭转控制，控制目标v＝0，那么控制误差即为 

e₁＝0-z₁＝z₁           (23) 

根据状态观测器对总扰动的观测和系统己知模型,得到最终控制量为: 

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}(c{z}_1+z_2)---\left(24\right)$

式中fal()的定义为式(19),β₁为控制参数。 

本发明提供的风电机组传动系统中扭振的抑制控制方法，在不确定因素和外部扰动的情况下，通过状态观测器和非线性误差反馈控制较好地解决传动系统扭矩波动的非线性控制问题。 

通过抑制机组传动系统转矩波动，可以明显减少机组齿轮箱、联轴器等关键零部件的扭转疲劳载荷，提高机组的寿命。即使风速、转速和传动系统传递的转矩发生变化，控制器也无需进行复杂的参数整定就可以达到很好的控制效果。 

Claims (9)

1.一种风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：该方法通过对传动系统不同连接点的转速测量来监测传动系统的扭振幅度，通过发电机电磁转矩的调节抑制扭矩波动，从而抑制传动系统扭振，减小传动系统扭转疲劳载荷。

2.根据权利要求1所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：该方法主要包括两部分，扭振的在线评估环节和扭振抑制发电机转矩控制环节，将风电机组的传动系统考虑非线性不确定因素采用集中参数方法根据以下原则进行建模，具体方法如下：

①、扭振的在线评估

传动系统非线性和不确定因素，主要包括风电机组传动系统中的齿轮箱的齿轮组动态啮合刚度和啮合误差、弹性连轴器的动态阻尼和刚度；风轮和发电机等效转角差代表传动系统的扭应力大小,风轮和发电机等效转速差值代表传动系统扭矩的变化幅度,用来表示传动系统转矩的波动幅度：

传动系统的力学方程为

$J_G{J}_R\stackrel{\·\·}{\mathrm{\γ}}=-(J_G+\frac{J_R}{N^2})[c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+\mathrm{k\γ}-(F_g+F_c+F_x)]+J_G{T}_A+\frac{J_R}{N}{T}_G$

其中：

T_A—气动转矩，T_G—发电机电磁转矩

J_R—风轮转动惯量，J_G—发电机转子转动惯量

c—传动系统综合阻尼，k—传动系统综合扭转刚度

Ω_R—风轮角速度，Ω_G—发电机角速度

θ_R—风轮角位移，θ_G—发电机角位移，

N—齿轮箱增速比

F_g,F_c，F_x—传动系统中刚度和阻尼变化部分的等效作用。

②、扭振抑制控制

实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减。根据状态观测器对总扰动的观测和系统已知模型，得到最终控制量为：

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}({\mathrm{cz}}_1+z_2)$

其中，T_G为扭振抑制控制的发电机转矩输出，β₁为控制参数；非线性反馈函数fal()定义为：

$\mathrm{fal}(x,a_i,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}{\left|x\right|}^{a_i}\mathrm{sign}\left(x\right),\left|x\right|>\mathrm{\δ}\≥0;\\ \frac{x}{{\mathrm{\δ}}^{1-a_i}},\left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，a_i，δ为可调参数。

3.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：①步骤中将系统未建模非线性不确定因素和外界扰动归结为传动系统的总扰动，通过状态观测器进行在线估计，并在非线性前馈补偿控制中进行补偿，实现非线性系统动态反馈线性化，实时跟踪估计扰动环节，将系统不确定因素作用和外界扰动归结为系统的总扰动，并根据系统输入、输出数据动态的估计系统状态变量和总扰动；

状态观测器如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=z_1-{\mathrm{\ω}}_t\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=-\frac{1}{J_G{J}_R}(J_G+\frac{J_R}{N^2}){\mathrm{cz}}_1+z_2-{\mathrm{\β}}_{01}{g}_1\left(e_1\right)-\frac{1}{{\mathrm{NJ}}_G}{T}_G\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{02}{g}_2\left(e_1\right)\end{array}\right.$

其中，β₀₁，β₀₂为观测器参数；

g_i(e)需要满足eg_i(e)≥0，i＝1,2。

4.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：②步骤主要以变流器为执行机构，通过对发电机转矩的调节来控制风电机组传动系统的扭转振动，发电机转矩T_G在控制器的控制下需要满足以下目标：

(1)在额定风速以下，根据最佳尖速比曲线跟踪由于风速变化引起的气动转矩(T_A)的变化，以获取最大功率；

(2)根据观测到的传动系统扭矩波动情况，在扭转载荷控制器的控制下抑制传动系统扭矩波动，减小传动系统扭转载荷。

5.根据权利要求3所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：①步骤中只要β₀₁，β₀₂，g_i(e)(i＝1,2,3)取值恰当，该观测器就能很好的估计系统中无法建模的动态扭转刚度、动态阻尼及外界扰动总和f_x的作用量即状态量x。

6.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：目标(1)用传统的最佳尖速比转矩PI控制，即转矩PI控制，即可实现，目标(2)结合扭振抑制控制的方法以变流器为执行机构实现，由此发电机的转矩给定是在转矩PI控制器和扭振抑制控制器的共同作用达到发电机功率控制和传动系统扭矩波动抑制的目标。

7.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：扭振抑制控制所用的控制方法是一种基于不确定因素估计和补偿的非线性鲁棒控制技术，在观测器的基础上,通过非线性状态误差反馈补偿实现动态系统反馈线性化，对发电机转矩的控制采用动态补偿和状态误差反馈有机结合的非线性状态误差反馈控制。

8.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：在控制量发电机转矩T_G中补偿不确定性因素和外界扰动f_x的作用,发电机转矩取

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}(c\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}+f_x)$

但对于不确定非线性系统f_x是未知非线性函数,在前面我们将系统中无法建模的动态和外界扰动f_x归结为总扰动a(t),利用状态观测器可以动态估计出a(t)，a(t)的估计值为z₂,在此基础上,取

$T_G=T_0-\frac{N}{J_R}({\mathrm{cz}}_1+z_2)$

利用状态观测器对不确定非线性系统的不确定动态和外界扰动进行动态估计,并根据估计值对控制量进行补偿,补偿之后的系统具有更好的闭环特性。

9.根据权利要求2所述的风电机组传动系统扭振抑制控制方法，其特征在于：实现控制目标主要是通过在系统的动态变化过程中施加适当的控制力把控制目标与被控输出之间的误差衰减，控制中,控制误差表示为

e₁＝v-z₁

式中v为控制目标，而对于传动系统的扭转控制，控制目标v＝0，那么控制误差即为

e₁＝0-z₁＝z₁

根据状态观测器对总扰动的观测和系统己知模型,得到最终控制量为:

$T_G={\mathrm{\β}}_1\mathrm{fal}(e_1,a_1,h)-\frac{N}{J_R}({\mathrm{cz}}_1+z_2)$

式中fal()的定义为式见②步骤,β₁为控制参数。